具有至少一个应力释放端部的压电/电致伸缩膜元件制造技术

一种压电与／或电致伸缩膜元件，包括陶瓷基片２，基片上的压电单元１８，且包括在下、上电极１２，１６间的压电层１４。基片有窗口６，由膜部１０封闭。单元置于膜部上，其至少一个相对端在向膜部中心的方向上和窗口的边缘分开。与窗口边缘分开的膜部的端部向上凸或向下凹，从而提供应力释放部分，用来将应力转换成膜部的位移。还披露了通过烧结基片膜部上的未烧结的压电／电致伸缩层，形成应力释放部分的方法。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种单压电晶片(uni—morph)、双压电晶片(bi—morph)或其它类型的压电与/或电致伸缩膜元件，它以弯曲或挠曲产生或检测位移，它可以用作激励器，滤波器，显示装置，变量器，麦克风，发声体(例如扬声器)，各种谐振器，振荡器或振动器，识别器，陀螺仪，传感器以及其它元件和装置。本专利技术还涉及一种方法，用来生产这种压电或电致伸缩膜元件。此处所用“元件”一词指的是一种能够变换或转换电能成为机械能即机械位移。变形或振动的元件，也指转换机械能成电能的元件。近年来，在光学以及精密定位或机械加工领域中，不断增加着对这类元件的需要，这些元件的位移可被控制，用于在几分之一微米(μm)的数量级上调节或控制光路长度或装置的构件和组件的位置，并用于检测由电变化引起物体的极小的位移。为满足这些要求，已经研制了压电与/或电致伸缩膜元件(以后称为P/E膜元件)，用作激励器或传感器，这些元件包括压电材料，例如铁电体材料，并利用反的或逆的压电效应，当对其施加电场时产生机械位移，或利用压电效应，当施加压力或机械应力时产生电场。在这些元件当中，例如常规的单变体型P/E膜元件已经满意地用于扬声器。已经提出了用于不同目的的陶瓷P/E膜元件，如JP—A—3—128681(即待审的美国专利申请序列号NOS.07/550,977，07/860,128。08/102,960。08/384,469。08/392,083，以及08/452,092)以及JP—A—5—49270(即美国专利号NO.5,210,455和美国专利申请序列号NO.08/013,046)，它们由本专利技术的受让者提出申请。所披露的元件的一个例子具有陶瓷基片，基片具有至少一个窗口，并和闭合窗口的薄膜形成一个整体，从而提供至少一个薄壁的膜片部或振动部，在陶瓷基片的每个膜片部的外表面上，形成一个压电/电致伸缩单元(以后称“P/E单元”，它是一个完整的迭层结构，包括下电极，压电/电致伸缩层(以后称P/E层)和上电极。P/E单元由合适的膜形成方法或对陶瓷基片的相应的膜部进行处理形成。这样形成的P/E膜相当小并且不贵，而且可用作具有高可靠性的机电传感器。此外，这种元件具有高的操作响应并通过加上低电压便提供相当大的位移，从而产生相当大的力。这样，上述元件适用于作为激励器，滤波器，显示装置，传感器或其它元件或装置。为了生产上述的P/E膜元件，每个P/E单元的下电极。P/E层和上电极通过合适的膜形成方法按这一顺序层迭在陶瓷基片的膜片部，并据需要进行热处理(烧或烧结)，从而P/E单元整体地形成在膜片部。本专利技术人的进一步研究指示了，这种元件的压电/电致伸缩特性由于在形成P/E单元期间，更具体地说在形成P/E层期间的热处理(烧或烧结)而变差。具体地说，P/E层在P/E层的热处理期间和陶瓷基片的膜部接触的P/E层或P/E单元由于烧结收缩而受到应力，在烧结之后，应力保持在其中这阻止了P/E膜元件具有足够密的烧结结构。在这种情况下，P/E膜元件不会是现所需的或所期望达到的压电/电致伸缩特性。在烧结之后，P/E层的剩余应力不希望地使压电/电致伸缩特性变差，具体地说，在激励P/E单元时产生的膜部的位移会减少。为了生产用于显示装置的激励器，例如通过陶瓷基片以合适的图形形成几个窗口，上述的P/E单元被形成在封闭相应窗口的各个薄壁膜部。在这种情况下，膜部的位移量由于在烧结之后P/E层中剩余的应力会大大减少，尤其是当两个或多个相邻的P/E单元被同时激励时，比单个的P/E单元被激励时的位量相比减少相当多。这就是说，当相邻的P/E单元被同时激励时，例如，承载两个P/E单元中的一个的膜部的位移量会干扰承载另一个P/E单元的膜部的位移量，结果使这些膜部的位移量减少，当相邻P/E单元之间的间隔减少以满足近来需要每单位面积具有大量的P/E单元的要求时，这种膜部位移量的减少是严重的。因此，本专利技术的第一个目的在于，提供一种压电/电致伸缩膜元件，其中每个压电/电致伸缩单元通过膜形成方法在陶瓷基片的薄壁膜部的外表面形成，并且这种压电/电致伸缩膜元件可以在施加相当低的电压时，有效地将在P/E单元中产生的应力转换成大的位移量，并且当两个或多个P/E单元形成在各自的膜部并被同时激励时不会使位移量相当地减少。本专利技术的第二个目的在于，提供一种用于生产呈现上述优异特性的压电/电致伸缩元件的方法。按照本专利技术的第一方面，上述第一目的通过提供一种压电/电致伸缩膜元件来实现，其中包括(a)具有至少一个窗口的基部陶瓷基片，以及和基部以整体部分形成的膜部，它们封闭至少一个窗口的每个；(b)膜状压电/电致伸缩单元，包括下电极，压电/电致伸缩层和上电极，它们按所述顺序由膜形成方法形成在膜部的外表面。压电/电致伸缩单元被如此置于膜部上，使得压电/电致伸缩单元的相对端面中的至少一个沿朝向膜部的中方向和相应于每个窗口周边的相对部分之一分开；以及(c)应力释放部分，由位于所述压电/电致伸缩单元的至少一个相对端部和相应于每个窗口周边的至少一个相对部之间的膜部的相对端部的至少一个构成，应力释放部分相对于包括基部主要表面的平面而弯曲，在所述基部，每个窗口被膜部封闭。在按本专利技术构成的压电/电致伸缩膜元件中，应力释放部分被形成在陶瓷基片的膜部的至少一个相对端部上，在这一端部不设置压电/电致伸缩单元。在存在应力释放部分的情况下，压电/电致伸缩单元不易被来自陶瓷基片的力所影响，从而在压电/电致伸缩单元中产生的应力可以高效率地转换为位移，因而在对压电/电致伸缩单元施加相当低的电压时，保证膜部产生大的位移量。此外，所述膜元件具有多个压电/电致伸缩单元，即使这些单元被同时激励时，和每个压电/电致伸缩单元被单独激励时相比，基本上也不会减少这些压电/电致伸缩单元的位移量。这样本专利技术的膜就保证每个膜部的位移量基本上恒定，并保证基本一致的操作特性，而与同时激励的压电/电致伸缩单元的数量无关。按照本专利技术的第一方面的最佳实施例，每个窗口周边的相对部分沿着平行于一直线的方向彼此相对，所述直线平行于基部主要表面的平面，并通过每个窗口的中心，并沿着所述直线，每个窗口具有最短的尺寸。在这种情况下，沿着该方向测量的应力释放部分的尺寸不大于每个窗口最短尺寸的40％。按照本专利技术的第一方面的第二最佳实施例，膜部具有至少一个挠曲点，按照本专利技术的第一方面的第三最佳实施例，应力释放部分包括和相应的每个窗口的周边的相对部的一个相邻的端部，该端部被弯曲，并朝向离开基部主表面的平面的方向凸出，按照本专利技术的第一方面的第四最佳实施例，压电/电致伸缩单元被这样放置，使得压电/电致伸缩单元的相对的两个端面沿向着膜部的中心方向与相应的每个窗口的周边的相对部分离开。在这种情况下，应力释放部分被提供在位于压电/电致伸缩单元的相对的端面和相应的每个窗口的周边的相对端部之间的膜部的每个相对端部上。按照本专利技术第一方面的第五最佳实施例，压电/电致伸缩单元被这样放置，使得只有压电/电致伸缩单元的两对端面中的一个沿向着膜部的中心方向与相应的每个窗口的周边的相对部的一个分开。在这种情况下，应力释放部分仅在位于压电/电致伸缩的相对端面的一个和相应的每个窗口周边的相对部分的一个之间的膜部的相对端部的一个上提供。按照本专利技术的第一方面的第六本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电／电致伸缩膜元件，包括：陶瓷基片（２，２２），它包括具有至少一个窗口（６，３８）的基部（４，３０），以及作为所述基部的一个整体部分形成的并封闭每个所述至少一个窗口的膜部（１０，２６）；膜状的压电／电致伸缩单元（１８，２４）， 它包括下电极（１２，４０），压电／电致伸缩层（１４，４２）和上电极（１６，１４），它们按所说明的顺序利用膜形成方法形成在所述膜部的外表面上；所述压电／电致伸缩单元（１８，２４）被如此置于所述膜部上，使得所述压电／电致伸缩单元的相对端面中 的至少一个和所述每个窗口的周边的相对部分中的相应的一个朝向所述膜部的中心的方向分开；应力释放部分（２０），由所述膜部的相对端部中的至少一个构成，它位于所述压电／电致伸缩单元的相对端面中的所述至少一个端面和相应的所述每个窗口的周边的相对部 分中的至少一个之间，所述应力释放部分相对于包括所述基部（４，３０）主表面的平面被弯曲，在所述基部上的所述每个窗口被所述膜部封闭。

【技术特征摘要】
JP 1994-12-21 318080/941.一种压电/电致伸缩膜元件，包括陶瓷基片(2，22)，它包括具有至少一个窗口(6，38)的基部(4，30)，以及作为所述基部的一个整体部分形成的并封闭每个所述至少一个窗口的膜部(10，26)；膜状的压电/电致伸缩单元(18，24)，它包括下电极(12，40)，压电/电致伸缩层(14，42)和上电极(16，14)，它们按所说明的顺序利用膜形成方法形成在所述膜部的外表面上；所述压电/电致伸缩单元(18，24)被如此置于所述膜部上，使得所述压电/电致伸缩单元的相对端面中的至少一个和所述每个窗口的周边的相对部分中的相应的一个朝向所述膜部的中心的方向分开；应力释放部分(20)，由所述膜部的相对端部中的至少一个构成，它位于所述压电/电致伸缩单元的相对端面中的所述至少一个端面和相应的所述每个窗口的周边的相对部分中的至少一个之间，所述应力释放部分相对于包括所述基部(4，30)主表面的平面被弯曲，在所述基部上的所述每个窗口被所述膜部封闭。2.如权利要求1的压电/电致伸缩膜元件，其特征在于所述每个窗口的所述周边的所述相对部沿平行于一直线的方向彼此相对，所述直线平行于所述基部(4，36)的所述主表面的平面，并通过每个窗口(6，38)的中心，沿所述直线每个所述窗口具有最短的尺寸，所述应力释放部分(20)的尺寸当沿所述方向测量时不大于所述每个窗口的最短尺寸的40％。3.如权利要求1或2的压电/电致伸缩元件，其特征在于其中所述膜部(10，26)具有至少一个挠曲点。4.如权利要求1—3任何一个的压电/电致伸缩膜元件，其特征在于所述应力释放部分包括和相应的所述每个窗口的周边的相对部分的一个相邻的端部，所述端部沿离开所述基部(4，30)主表面的所述平面的方向被弯曲而突出。5.如权利要求1—4任何一个的压电/电致伸缩膜元件，其特征在于所述压电/电致伸缩单元(18，24)被如此放置，使得所述压电/电致伸缩单元的两个所述相对的端面与相应的所述每个窗口(6，38)的周边的相对部沿朝向所述膜部的中心方向离开，所述应力释放部分(20)被提供在位于所述压电/电致伸缩单元的相对端面和相应的所述每个窗口的周边的相对部之间的所述膜部的相对的端部的每个上。6.如权利要求1—4任何一个的压电/电致伸缩膜元件，其中所述压电/电致伸缩单元(18，24)被如此设置，使得只有所述压电/电致伸缩单元的相对端面中的一个和所述相应的每个窗口(6，38)的周边的所述相对部中的一个沿朝向所述膜部中心的方向分开，所述应力释放部分(20)只被提供在位于所述压电/电致伸缩单元的相对端面的一个和相应的所述每个窗口的周边的所述相对部的一个之间的所述膜部的所述相对端部的一个上。7.如权利要求1—6任何一个的压电/电致伸缩膜元件，其特征在于所述应力释放部分(20)具有沿离开所述每个窗口(6，38)的方向从所述平面突出的向上凸的形状。8.如权利要求5的压电/电致伸缩膜元件，其特征在于所述提供在所述膜部(10，26)的每个相对端部的应力释放部分(20)具有沿离开所述每个窗口(6，38)从所述平面向上凸的形状，所述膜部包括一个中心部分，在其上形成有所述压电/电致伸缩单元(18，24)，所述中心部分具有沿朝向所述每个窗口(6，38)的方向从所述平面伸出的向下凹的形状。9.如权利要求6的压电/电致伸缩膜元件，其特征在于其中所述仅提供在所述膜部(10，26)的相对端的一个上的应力释放部分(20)具有沿离开所述每个窗口(6，38)的方向从所述平面伸出的向上凸的形状，包括所述相对端部的另外的相对端并在其上形成有压电/电致伸缩单元的所述膜部的部分具有向着所述每个窗口(6，38)的方向从所述平面向下凹的形状。10.如权利要求7—9任一个的压电/电致伸缩膜元件，其特征在于所述陶瓷基片包括膜板(8，26)，它包括所述的膜部(10，26)，并被如此形成在所述基部(4，30)的所述主要表面上，使得所述膜部封闭所述每个窗口(6，38)，所述应力释放部分(20)的向上凸的形状的高度不大于所述膜部(10，26)的两倍厚度，所述高度从远离所述基部的所述膜板的相对的主要表面中的一个进行测量。11.如权利要求1—6任何一个的压电/电致伸缩膜元件，其特征在于其中所述应力释放部分(20)具有沿朝向所述每个窗口(6，38)的方向向下凹的形状。12.如权利要求11的压电/电致伸缩膜元件，其特征在于其中所述应力释放部分(20)被提供在所述压电/电致伸缩单元(18，24)的相对侧的至少一个上。13.如权利要求11或12的压电/电致伸缩膜元件，其特征在于其中所述陶瓷基片包括膜板(8，26)，它包括所述膜部(10，26)，并被如此形成在所述基部(4，30)的所述主要表面上，使得所述膜部封闭所述每个窗口(6，38)，所述应力释放部分(20)的所述向下凹的形状具有不大于所述膜部(10，26)两倍厚度的深度，所述深度从远离所述基部的所述膜板的相对的主表面中的一个进行测量。14.如权利要求1—6任何一个的压电/电致伸缩膜元件，其特征在于所述应力释放部分(20)具有波纹形状，并具有至少一个向上的凸部和至少一个向下的凹部。15.如权利要求1—14任何一个的压电/电致伸缩膜元件，其特征在于所述膜部(10，26)具有不大于5μm的平均晶粒尺寸。16.如权利要求1—15任一个的压电/电致伸缩膜元件，其特征在于其中所述膜部(10...

【专利技术属性】
技术研发人员：武内幸久，七泷努，
申请(专利权)人：日本碍子株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]